Диссертация (1091051), страница 4
Текст из файла (страница 4)
проницаемость: статическая12,5эВ, высокочастотная-9,61эВПодвижность носителей заряда в2,5 раза выше, чем в Si.В 100000 раз меньшееэнергопотреблениеужестолкнуласьсТранзисторы,туннельные диоды,светодиоды, лазерныедиоды, фотоприемникиСверхвысокочастотныетранзисторы и диодыДетекторы, транзисторыпроблемамидальнейшегомасштабирования. Это поставило перед учеными задачу по разработкесовершенно новых видов транзисторов, которые будут способны дать стимул длядальнейшей миниатюризации электроники и повышению вычислительныхмощностей (Таблица 1.4) [28-32].Таблице 1.4 – Перспективные транзисторыХарактеристикиПодвижностьносителейРабочие частотыЭнергопотреблениеРазмеры элементаИнтегрируемостьОсобенностиCNFETGFETNWFETGе-nMOSFETAtomic switch105см2/В·с>105см2/В·с105см2/В·с3500 см2/В·с>106см2/В·с1ТГц<20мВ<1нмКМОП1,5ТГц<15мВ<5нмКМОП24,5ГГц<3,3 В<10нмКМОП3ТГц1х мВ<0,5нмКМОПСинтез YобразныхтрубокСамыйперспективныйвидтранзисторов2,3ТГц<23,4мВ<0,5нмКМОПGaN, AlN,InP, GaAs,InAs, иCdSe,ZnSe,CdS,ZnS иIn2O3,ZnOПодвижностьэлектронов вGe иинверсионномслое в 2,5 разавыше, чем в SiПостроениепамяти20Перспективные транзисторы:1.Транзистор на углеродных нанотрубках (Carbon Nanotube FETs).2.Транзистор на графене (Graphene FETs).3.Транзистор на нанопроволоке (Nanowire Field-Effect (NWFETs)).4.Германиевые полупроводниковые соединения N-типа.5.Атомный коммутатор (Atomic Switch).Разработка новых материалов и перспективных транзисторов становится всеболее актуальной.
ITRS–2013 предлагает два направления развития, которыебудут способствовать реализации новых возможностей в микроэлектронике.Первое состоит в расширении функциональных возможностей с помощьюинтеграции новых технологий, а второе в стимулировании изобретений новыхустройств. На сегодняшний день уже созданы прототипы принципиально новыхтранзисторов и материалов, способных произвести настоящую революцию вмикроэлектронике и перевести ее на качественно новый уровень. В тоже времяведущие предприятия находят новые возможности и оригинальные решения,чтобы отодвинуть наступающий предел классической физики.
Создаютсямногослойные ИС, системы на кристалле, многоядерные процессоры исверхбыстрые многослойные ЗУ.1.2 Особенности функционирования полупроводниковых ЗУ1.2.1 Особенности развития рынка запоминающих устройствОдним из самых быстро растущих сегментов рынка микроэлектроникиявляется полупроводниковая память. В 2014 году было произведено рекордноеколичество изделий полупроводниковой памяти в 34,6 млрд. штук. Flash-памятьделится на NAND и NOR в соотношении 37% к 3% соответственно(Рисунок 1.10) [17,22,33].211%3%DRAMFlash40%SRAM56%EEPROM, ROM, EPROM,другиеРисунок 1.10 – Разновидности полупроводниковой памяти и их доля на мировомрынке по состоянию на 2014 годПроизводство и внедрение flash-памяти росло огромными темпами. В 1998году ее объём составлял 11%, в 2010 году уже 33% и к 2014 году достиг 40%мирового рынка [17,22,33].1.2.2 Классификация запоминающих устройствНа данный момент созданы десятки видов ЗУ различного назначения, видаи принципа работы (Рисунок 1.11).
Разнообразие ЗУ варьируется от CD, DVDдисков до прототипов мемристорной памяти.Рисунок 1.11 – Классификация запоминающих устройств22Совершенствование технологических процессов и растущие масштабыпроизводства полупроводниковой памяти привели к ее удешевлению идоступности на мировом рынке. Компактность, высокая интегрируемость инизкое энергопотребление делает ее незаменимой практически во всехсовременных высокотехнологичных изделиях. Что в свою очередь привело кпоявлению многих разновидностей полупроводниковой памяти (Рисунок 1.12).Рисунок 1.12 – Классификация полупроводниковой памятиЭнергозависимаяпамятьзанимаетогромнуюдолюнарынкеполупроводниковой памяти и является ключевым компонентом любых ИС [34].231.2.3 Современные типы энергозависимой памятиСтатическая память с произвольным доступом (SRAM)Статическая память с произвольным доступом – полупроводниковаяоперативная память, в которой каждый разряд хранится в схеме с положительнойобратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации,необходимой в динамической памяти (DRAM).
Тем не менее, сохранять данныебез перезаписи SRAM может только, пока есть питание.Рисунок 1.13 – Шеститранзисторная ячейка SRAMТипичная ячейка статической памяти на КМОП-технологии состоит из двухперекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов дляобеспечения доступа к ячейке (Рисунок 1.13). Часто для увеличения плотностиупаковкиэлементовнакристаллевкачественагрузкиприменяютполикремниевые резисторы. Недостатком такого решения является ростстатического энергопотребления.Линия слов управляет двумя транзисторами доступа.
Битовые линиииспользуются для записи и чтения данных [35].Динамическая память с произвольным доступом (DRAM)Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек,которые состоят из конденсаторов и транзисторов (Рисунок 1.14).24Рисунок 1.14 – Ячейка динамической памяти DRAMДинамическоеподдержаниезарядаконденсатораявляетсяосновополагающим принципом работы памяти типа DRAM.
При отсутствииподачи питания к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов и памятьобнуляется.Существуетнескольковариантоврегенерации:расширенная,пакетная, распределённая и скрытая. Наиболее экономичной является скрытая(теневая) регенерация [36]. Сравнительный анализ некоторых характеристик,основных видов энергозависимой памяти представлен в таблице 1.5.Таблица 1.5 – Характеристики энергозависимой памяти [35,36]ПараметрыТехнологический процесс, нмВремя чтения, нсВремя записи, нсСрок хранения информации, мсЧисло циклов перезаписиНапряжение при чтении/записи, ВПлощадь ячейкиДиапазон температур, °СDRAM2010106410161,5/1,54F2-40 - +100SRAM200,10,110160,7/0,7140F2-40 - +100На фоне общих инноваций в микроэлектронике так же ведутся разработки иперспективных ЗУ ИС.1.2.4 Перспективные разработки в области энергозависимой памятиТиристорная память с произвольным доступом (T-RAM)Тиристорная память с произвольным доступом – вид оперативной памяти,сочетающий в себе сильные стороны DRAM и SRAM (высокая скорость работы ибольшой объём).
Данная технология использует ячейки памяти, принцип которых25основан на технологии отрицательного дифференциального сопротивления –(Thin-Capacitively-Coupled-Thyristor - TCCT). К примеру, компания AMDпредполагала использовать данную технологию в процессорах, производимых понормам 32 и 22 нм.Тиристорная память с произвольным доступом состоит из ячеек памятивида T-SRAM и T-DRAM. Первая включает в себя одну ячейку TCCT и одинполевой транзистор доступа (Access FET). Ее функционал включает способностьподдерживать состояние ячеек памяти без регенерации, также как и у памятиSRAM.
Ячейка T-DRAM содержит лишь блок TCCT и включает процесс схожий срегенерацией конденсатора, присутствующий в памяти DRAM [37].Память нулевой емкости с произвольным доступом (Z-RAM)Память нулевой емкости с произвольным доступом является перспективнойрешением в области запоминающих устройств.
Созданием данной памятизанимается компания Innovative Silicon. Принцип функционирования устройстваоснован на эффекте «плавающей основной части». Память данного типа неуступает по скорости доступа к данным стандартной 6-транзисторной ячейкеSRAM. В тоже время ячейка памяти Z-RAM включает в себя лишь одинтранзистор, тем самым позволяя значительно увеличить плотность упаковкиструктуры памяти (Рисунок 1.15). Он будет являться «плавающим» поотношению к кремниевой подложке, находящейся ниже кармана.
Расположениеактивного конденсатора в ячейке Z-RAM, непосредственно ниже структурытранзистора,определяетдругуюэтимологиюназванияZ-RAM,котораяпроисходит от отрицательного направления оси Z.Преимуществами Z-RAM являются низкие показатели паразитных емкостейвблизи областей стока/истока, близкий к идеальному, график зависимостиподпороговых характеристик и трехкратное уменьшение рабочей мощностиячейки.26Рисунок 1.15 – Кросс-секция ячейки памяти Z-RAM [38]Память с произвольным доступом (TT-RAM)Память с произвольным доступом – вид запоминающего устройстваспособного достигать высокопроизводительных операций с массивом.Логический «ноль» хранится за счет экстракции накопленных дырок изрегиона«плавающейосновнойчасти»транзисторахраненияданных.Уменьшение напряжения влияет на утечку тока стоковой области и способствуетнакоплению дырок в области основной части транзистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
